DE19837153A1

DE19837153A1 - Pulse width modulated DC-DC converter

Info

Publication number: DE19837153A1
Application number: DE19837153A
Authority: DE
Inventors: Norbert Greitschus
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1998-08-17
Filing date: 1998-08-17
Publication date: 2000-03-02
Also published as: EP0982841A2; US6522115B1; EP0982841A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen pulsweitenmodulierten Gleichspannungswandler mit einem Fehlerverstärker 7, auf dessen Eingang die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 1 rückgekoppelt wird, der einen Komparator 8 zum Vergleich der Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 7 und der Ausgangsspannung eines kompensierten Rampengenerators 9 aufweist und dessen Ausgang mit dem Schalttransistor 2 verbunden ist. Der kompensierte Rampengenerator 9 ist so ausgebildet, daß das dem Drosselstrom I¶Drossel¶ der Drosselinduktivität 3 proportionale Signal der rampenförmigen Spannung so überlagert wird, daß eine Ausgangsspannung erzeugt wird, die einen sägezahnförmigen Kurvenverlauf mit einem konkaven Spannungsanstieg aufweist.The invention relates to a pulse-width-modulated DC-DC converter with an error amplifier 7, to the input of which the output voltage of the DC-DC converter 1 is fed back, which has a comparator 8 for comparing the output voltage of the error amplifier 7 and the output voltage of a compensated ramp generator 9 and whose output is connected to the switching transistor 2 . The compensated ramp generator 9 is designed in such a way that the signal of the ramp-shaped voltage, which is proportional to the choke current I ¶ choke ¶ of the choke inductance 3, is superimposed in such a way that an output voltage is generated which has a sawtooth-shaped curve shape with a concave voltage rise.

Description

Die Erfindung betrifft einen pulsweitenmodulierten Gleichspannungswandler mit einer Reihenschaltung aus einem Schalttransistor und einer Drosselinduktivität, wobei parallel zu dem Schalttransistor eine Glättungskapazität und ein Schaltelement in Reihe geschaltet sind, so daß eine an der Reihenschaltung aus dem Schalttransistor und der Drosselinduktivität liegende Eingangsspannung in eine größere, an der Glättungskapazität abgreifbare Ausgangsspannung umgewandelt wird, mit einem Fehlerverstärker, dessen erster Eingang mit einem Spannungsteiler, dem die Ausgangsspannung zuführbar ist, und dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist, und mit einem Komparator, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers, dessen zweiter Eingang mit einem mittels eines zu dem Drosselstrom der Drosselinduktivität proportionalen Signal kompensierten Rampengenerator und dessen Ausgang mit der Gate-Elektrode des Schalttransistors verbunden ist.The invention relates to a pulse width modulated direct voltage converter a series circuit of a switching transistor and a choke inductance, wherein parallel to the switching transistor a smoothing capacitance and a switching element in Series are connected so that one at the series circuit from the switching transistor and the choke inductance input voltage in a larger, at the Smoothing capacity tapped output voltage is converted with a Error amplifier, the first input of which is connected to a voltage divider Output voltage can be supplied, and its second input with a Reference voltage source is connected, and with a comparator, the first Input with the output of the error amplifier, the second input with a by means of a signal proportional to the choke current of the choke inductance compensated ramp generator and its output with the gate electrode of the Switching transistor is connected.

Ein solcher Gleichspannungswandler ist aus MAXIM Datenblatt: MAX 731/MAX 752, 19-4672; REV 2; 2/93 bekannt. Um eine konstante Ausgangsspannung zu erzeugen, wird die Ausgangsspannung über den Spannungsteiler rückgeführt, über den Fehlerverstärker und den Komparator mit der Rampenspannung des Rampengenerators verglichen und auf den Schalttransistor geführt, um dort das Tastverhältnis für die konstante Ausgangsspannung einzustellen. Zwischen den Komparator und den Schalttransistor ist ein Flipflop geschaltet, dem die Taktfrequenz einer Zeitsteuerschaltung (clock) zum genauen, getakteten Aktivieren des Schalttransistors zugeführt wird.Such a DC-DC converter is from MAXIM data sheet: MAX 731 / MAX 752, 19-4672; REV 2; 2/93 known. To generate a constant output voltage, the output voltage is fed back via the voltage divider Error amplifier and the comparator with the ramp voltage of the Ramp generator compared and led to the switching transistor to there Set the duty cycle for the constant output voltage. Between Comparator and the switching transistor is a flip-flop connected to the clock frequency a time control circuit (clock) for the precise, clocked activation of the Switching transistor is supplied.

Die Stabilitätsgrenze des rückgekoppelten Gleichspannungswandlers ist eine Funktion des Drosselstromes durch die Drosselinduktivität und der Inversen der Eingangsspannung. Der Drosselstrom ist eine Funktion des Laststromes und der Eingangsspannung. Der Betrag der Schleifenverstärkung wird durch den Drosselstrom und die Inverse der Eingangsspannung beeinflußt. Mit steigendem Drosselstrom steigt der Betrag der Schleifenverstärkung, wohingegen die Polstellen des Systems, d. h. die Phasendrehungen der Schleifenverstärkung, unverändert bleiben. Dies führt zu einer Verringerung der Phasenreserve und damit zu einer Instabilität des Systems.The stability limit of the feedback DC-DC converter is a function of the choke current through the choke inductance and the inverse of the Input voltage. The inductor current is a function of the load current and the Input voltage. The amount of loop gain is determined by the choke current and affects the inverse of the input voltage. With increasing choke current increases the amount of loop gain whereas the system's pole points, i. H. the Phase rotations of the loop gain remain unchanged. This leads to a Reduction of the phase reserve and thus instability of the system.

Zur Kompensation dieses Effektes sind Kapazitäten parallel zu dem Spannungsteiler geschaltet, welche den Frequenzgang so beeinflussen, daß für einen bestimmten Bereich von Lastströmen und von der Eingangsspannung eine ausreichende Stabilität erzielt wird. Da die Polstellen, die durch die Glättungskapazität und die Drosselinduktivität bestimmt werden, bei sehr niedrigen Frequenzen liegen, sind als Kompensationskapazitäten sehr große Kapazitäten erforderlich. Diese sind bei einer monolithisch integrierten Schaltung nicht in das System integrierbar.To compensate for this effect, capacitors are parallel to the voltage divider switched, which influence the frequency response so that for a certain Range of load currents and of the input voltage sufficient stability is achieved. Since the pole points by the smoothing capacity and the Choke inductance can be determined at very low frequencies are considered Compensation capacities require very large capacities. These are with one monolithically integrated circuit cannot be integrated into the system.

Eine weitere Maßnahme zur Stabilisierung des Gleichspannungswandlers besteht darin, daß zu der Rampenspannung des Rampengenerators mittels eines Addierverstärkers eine Spannung addiert wird, die proportional zum Drosselstrom ist. Es wird dabei eine Spannung verwendet, die proportional zum Strom durch den Schalttransistor ist. Bei hohen Drosselströmen schaltet dadurch der Komparator früher, so daß die Einschaltzeit des Schalttransistors und der Betrag der Schleifenverstärkung verringert werden. Diese Kompensation hat den Nachteil, daß ein zusätzlicher, genauer Addierverstärker zur Kompensation des Rampengenerators benötigt wird. Zudem ist nachteilig, daß der Betrag der Schleifenverstärkung bei hohem Drosselstrom bereits zu Beginn des Einschaltzyklusses verringert wird. Dadurch wird die Verstärkung auch bei hohen Eingangsspannungen verringert, was sich nachteilig auf die Genauigkeit der Ausgangsspannung auswirkt.Another measure to stabilize the DC-DC converter exists in that to the ramp voltage of the ramp generator by means of a Adding amplifier a voltage is added, which is proportional to the inductor current. A voltage is used which is proportional to the current through the Switching transistor is. The comparator switches at high inductor currents earlier, so the turn-on time of the switching transistor and the amount of Loop gain can be reduced. This compensation has the disadvantage that an additional, precise adder amplifier to compensate for the ramp generator is needed. Another disadvantage is that the amount of loop gain at high choke current is reduced at the beginning of the switch-on cycle. This reduces the gain even at high input voltages, which adversely affects the accuracy of the output voltage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten pulsweitenmodulierten Gleichspannungswandler zu schaffen.The invention has for its object an improved pulse width modulated To create DC converters.

Diese Aufgabe wird durch einen gattungsgemäßen Gleichspannungswandler gelöst, bei dem der kompensierte Rampengenerator so ausgebildet ist, daß das dem Drosselstrom der Drosselinduktivität proportionale Signal der rampenförmigen Spannung derart überlagerbar ist, daß eine Ausgangsspannung erzeugt wird, die einen sägezahnförmigen Kurvenverlauf mit einem konkaven Spannungsanstieg aufweist.This object is achieved by a generic DC converter, in which the compensated ramp generator is designed so that the Choke current of the inductance proportional signal of the ramp-shaped Voltage can be superimposed in such a way that an output voltage is generated which a sawtooth curve with a concave increase in voltage having.

Durch den konkaven Spannungsanstieg der von dem kompensierten Rampengenerator erzeugten Rampenspannung erhält die Rampenspannung eine größere Slew Rate (Spannungsanstiegsgeschwindigkeit). Dadurch wird der Betrag der Verstärkung des rückgekoppelten Gleichspannungswandlers erst bei großen Drosselströmen und niedrigen Eingangsspannungen verringert. Folglich kann der Frequenzgang des Gleichspannungswandlers unabhängig von den Betriebsbedingungen, insbesondere unabhängig von der Eingangsspannung und dem Laststrom, konstant gehalten werden. Es wird ein geringerer Betrag der Schleifenverstärkung bei hohen Eingangsspannungen und damit ein Verlust an der Genauigkeit der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers verhindert.Due to the concave voltage rise of the compensated by the Ramp generator generated ramp voltage receives the ramp voltage higher slew rate. This will increase the amount of Amplification of the feedback DC-DC converter only with large Choke currents and low input voltages reduced. Consequently, the Frequency response of the DC-DC converter independently of the Operating conditions, especially regardless of the input voltage and the Load current, are kept constant. There will be a lesser amount of Loop amplification at high input voltages and thus a loss at the Accuracy of the output voltage of the DC-DC converter prevented.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.Advantageous embodiments of the invention are in the subclaims disclosed.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Rampengenerator so ausgebildet, daß die Summe aus einem Korrekturstrom, welcher proportional zu dem Drosselstrom ist, und einem konstanten Referenzstrom in dem Rampengenerator integrierbar ist, so daß die Ausgangsspannung des Rampengenerators einen quadratischen Spannungsanstieg aufweist. Hierdurch wird ein von den Betriebsbedingungen unabhängiger Frequenzgang des Gleichspannungswandlers auf einfache Weise erreicht. Es muß keine aufwendige Vorrichtung mit großer Fläche, wie beispielsweise ein genauer Addierverstärker, verwendet werden.According to an advantageous embodiment of the invention Ramp generator designed so that the sum of a correction current, which is proportional to the inductor current, and a constant reference current in the Ramp generator can be integrated so that the output voltage of the Ramp generator has a quadratic voltage increase. This will a frequency response of the DC converter achieved in a simple manner. It doesn't have to be elaborate Large area device such as an accurate adder amplifier be used.

Gemäß einer günstigen Ausbildung der Erfindung erfolgt die Integration der Summe aus dem Korrekturstrom und dem konstanten Referenzstrom dadurch, daß der Korrekturstrom und der konstante Referenzstrom einem Kondensator zuführbar sind, welcher über ein parallelgeschaltetes Schaltelement mit der Frequenz des der Gate-Elektrode des Schalttransistors zugeführten Signals entladbar ist. Hierdurch wird auf einfache Weise ein quadratischer Spannungsanstieg der Rampenspannung erzeugt.According to a favorable embodiment of the invention, the sum is integrated from the correction current and the constant reference current in that the Correction current and the constant reference current can be supplied to a capacitor, which via a parallel switching element with the frequency of the Gate electrode of the switching transistor supplied signal can be discharged. This will turn on easily generates a quadratic voltage rise in the ramp voltage.

Vorteilhafterweise kann zur Erzeugung des Korrekturstromes ein erster Verstärker vorgesehen sein, dessen Eingang eine dem Drosselstrom proportionale Spannung zuführbar ist, und dessen Ausgang über einen Widerstand mit einem ersten Knotenpunkt von konstantem Potential verbunden ist, welchem der Korrekturstrom zuführbar ist. Als Verstärker kann ein Buffer, dessen Verstärkung gleich eins ist, verwendet werden. Dieser kann durch einen rückgekoppelten Operationsverstärker realisiert werden. Der Operationsverstärker kann so ausgebildet sein, daß seine Ausgangsstufe eine erste Referenzstromquelle, die mit einem ersten Transistor in Source-Schaltung in Reihe geschaltet ist, umfaßt.A first amplifier can advantageously be used to generate the correction current be provided, the input of which is a voltage proportional to the inductor current can be fed, and its output via a resistor with a first Node of constant potential is connected to which the correction current is feedable. A buffer whose gain is equal to one can be used as an amplifier be used. This can be done by a feedback operational amplifier will be realized. The operational amplifier can be designed so that its Output stage a first reference current source with a first transistor in Source circuit is connected in series.

Zur Erzeugung des konstanten Knotenpotentials in dem ersten Knotenpunkt kann ein zweiter Operationsverstärker vorgesehen sein. Der erste Eingang des zweiten Operationsverstärkers ist mit einer ersten konstanten Referenzspannungsquelle, der zweite Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem ersten Knotenpunkt verbunden. Der erste Knotenpunkt stellt das konstante Knotenpotential niederohmig bereit und ist mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbunden. Der zweite Operationsverstärker kann so ausgebildet sein, daß seine Ausgangsstufe eine zweite Referenzstromquelle, die mit einem zweiten Transistor in Source-Schaltung in Reihe geschaltet ist, umfaßt. In den Knotenpunkt kann somit die Summe aus dem Korrekturstrom und dem konstanten Referenzstrom fließen.A can be used to generate the constant node potential in the first node second operational amplifier can be provided. The first entrance of the second Operational amplifier is with a first constant reference voltage source, the second input of the operational amplifier is connected to the first node. The first node provides the constant node potential with low resistance and is connected to the output of the second operational amplifier. The second Operational amplifiers can be designed so that its output stage is a second Reference current source connected in series with a second transistor in source circuit is switched, includes. In the node, the sum of the Correction current and the constant reference current flow.

Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann ein Stromspiegel vorgesehen sein, der die am Knotenpunkt erzeugte Summe aus dem Korrekturstrom und dem konstanten Referenzstrom auf den Kondensator abbildet. Der Stromspiegel kann aus dem ersten oder dem zweiten Operationsverstärker und einem dritten Transistor in Source-Schaltung gebildet werden. Die Gate-Elektrode des dritten Transistors ist mit der Gate-Elektrode des ersten Transistors und die Drain-Elektrode des dritten Transistors mit dem Kondensator verbunden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Gate-Elektrode des dritten Transistors mit der Gate-Elektrode des zweiten Transistors und die Drain-Elektrode des dritten Transistors über einen zweiten Stromspiegel mit dem Kondensator verbunden.According to an advantageous development of the invention, a current mirror can be used be provided, the sum of the correction current generated at the node and maps the constant reference current to the capacitor. The current mirror can consist of the first or the second operational amplifier and a third Transistor are formed in the source circuit. The gate electrode of the third Transistor is with the gate electrode of the first transistor and the drain electrode of the third transistor connected to the capacitor. According to another The exemplary embodiment is the gate electrode of the third transistor with the Gate electrode of the second transistor and the drain electrode of the third transistor via a second current mirror connected to the capacitor.

Der erste Transistor und der zweite Transistor können ein festes Verhältnis hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften zueinander haben. Bei MOS-FET-Transistoren wird dies durch ein festes Verhältnis der W/L(Längen/Breiten)-Ver hältnisse der Transistoren erreicht. Mit der ersten und der zweiten Referenzstromquelle können Ströme, die ein festes Verhältnis zueinander haben, erzeugbar sein. Wenn die Referenzstromquellen gleiche Ströme erzeugen und der erste und der zweite Transistor gleiche elektrische Eigenschaften haben, liegen in der Schaltung gleiche Verhältnisse vor, so daß eine gute Anpassung, d. h. ein gutes Matching, der einzelnen Schaltungselemente vorliegt, wodurch elektrische Einflüsse, Einflüsse aufgrund von Temperatur oder Maskenausrichtfehlern vermieden werden.The first transistor and the second transistor can have a fixed ratio in terms of their electrical properties. At MOS-FET transistors do this by a fixed ratio of W / L (longitude / latitude) ver Ratios of transistors reached. With the first and the second Reference current source currents that have a fixed relationship to each other be generated. When the reference current sources generate equal currents and the first and the second transistor have the same electrical properties Circuit before equal conditions, so that a good adaptation, d. H. a good Matching, which exists individual circuit elements, whereby electrical influences, Influences due to temperature or mask alignment errors can be avoided.

Das dem Drosselstrom proportionale Signal kann aus dem Spannungsabfall an dem Schalttransistor bestimmt werden. Dies ist möglich, da der Schalttransistor im Triodenbereich betrieben wird, so daß er ein Widerstandsverhalten aufweist. Verfahren zum Bestimmen des Drosselstromes sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der P 198 12 299.3 bekannt. Vorteilhafterweise ist die Anordnung monolithisch integriert.The signal proportional to the inductor current can be derived from the voltage drop across the Switching transistor can be determined. This is possible because the switching transistor in Triode region is operated so that it has a resistance behavior. Methods for determining the inductor current are from the prior art, known for example from P 198 12 299.3. The arrangement is advantageous integrated monolithically.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung eines erfindungsgemäßen pulsweitenmodulierten Gleichspannungswandlers, Fig. 1 shows a basic arrangement of a pulse width modulated DC-DC converter according to the invention,

Fig. 2 eine prinzipielle Anordnung eines erfindungsgemäßen kompensierten Rampengenerators, Fig. 2 shows a basic arrangement of a compensated ramp generator according to the invention,

Fig. 3a, Fig. 3b den Verlauf von dem Drosselstrom und der Rampenspannung in Abhängigkeit der Zeit für den Rampengenerator aus Fig. 2, Fig. 3a, Fig. 3b shows the course of the inductor current and the ramp voltage versus time for the ramp generator of Fig. 2,

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kompensierten Rampengenerators und Fig. 4 shows an inventive embodiment of a compensated ramp generator and

Fig. 5 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kompensierten Rampengenerators. Fig. 5 shows a further embodiment of this invention a compensated ramp generator.

In Fig. 1 ist eine prinzipielle Anordnung eines erfindungsgemäßen pulsweitenmodulierten Gleichspannungswandlers 1 dargestellt. Der Gleichspannungswandler 1 umfaßt eine Reihenschaltung aus einem Schalttransistor 2 und einer Drosselinduktivität 3. Parallel zu dem Schalttransistor 2 sind eine Glättungskapazität 4 und ein Schaltelement in Reihe geschaltet. Mit dem Gleichspannungswandler 1 wird eine an der Reihenschaltung aus dem Schalttransistor 2 und der Drosselinduktivität 3 liegende Eingangsspannung V_in in eine größere, an der Glättungskapazität 4 abgreifbare Ausgangsspannung V_out umgewandelt. Die Ausgangsspannung V_out wird dem Gleichspannungswandler 1 über einen Spannungsteiler 6, der zwei Widerstände umfaßt, rückgeführt. Es ist ein Fehlerverstärker 7 vorgesehen, dessen erster Eingang mit dem Spannungsteiler 6 und dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannungsquelle V_ref verbunden ist. Es ist ein Komparator 8 vorgesehen, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers 7, dessen zweiter Eingang mit einem mittels eines zu dem Drosselstrom I_Drossel der Drosselinduktivität 3 proportionalen Signal kompensierten Rampengenerator 9 und dessen Ausgang mit der Gate-Elektrode des Schalttransistors 2 verbunden ist. Der kompensierte Rampengenerator 9 ist so ausgebildet, daß er eine Ausgangsspannung erzeugt, die einen sägezahnförmigen Kurvenverlauf mit einem konkaven Spannungsanstieg aufweist. Dieser Spannungsverlauf wird durch die Überlagerung des dem Drosselstrom der Drosselinduktivität 3 proportionalen Signals mit der rampenförmigen Spannung des Rampengenerators 9 erzeugt. In Fig. 1 a basic arrangement of a pulse width modulated DC-DC converter 1 according to the invention. The DC-DC converter 1 comprises a series circuit comprising a switching transistor 2 and a choke inductor 3 . A smoothing capacitance 4 and a switching element are connected in series with the switching transistor 2 . With the DC / DC converter 1 , an input voltage V _in at the series circuit comprising the switching transistor 2 and the inductor 3 is _converted into a larger output voltage V _out which can be tapped at the smoothing capacitance 4 . The output voltage V _out is _{fed back} to the DC-DC converter 1 via a voltage divider 6 , which comprises two resistors. An error amplifier 7 is provided, the first input of which is connected to the voltage divider 6 and the second input of which is connected to a reference voltage source V _ref . A comparator 8 is provided, the first input of which is connected to the output of the error amplifier 7 , the second input of which is connected to a ramp generator 9 , which is compensated by a signal proportional to the inductor current I _{choke of} the inductor 3, and the output of which is connected to the gate electrode of the switching transistor 2 . The compensated ramp generator 9 is designed such that it generates an output voltage which has a sawtooth curve shape with a concave voltage rise. This voltage curve is generated by the superimposition of the signal proportional to the choke current of the choke inductor 3 with the ramp-shaped voltage of the ramp generator 9 .

Der Ausgang des Komparators 8 ist über ein Flip-Flop-Element 20 mit dem Gate des Schalttransistors 2 verbunden. Das Flip-Flop-Element 20 wird mittels einer Zeitsteuerschaltung mit einem Signal der Frequenz f_clock angesteuert. Es handelt sich dabei um ein RS (Rücksetz/Setz) Flip-Flop mit einem Rücksetzeingang R, einem Setzeingang S und einem aktiven Ausgang Q, der mit dem Gate des Schalttransistors 2 verbunden ist. Die Frequenz f_clock des Signals der Zeitsteuerschaltung ist auf die Frequenz des Signals des Rampengenerators 9 abgestimmt. Durch das Ausgangssignal des Komparators 8 wird die Frequenz zum Schalten des Schalttransistors 2 festgelegt.The output of the comparator 8 is connected to the gate of the switching transistor 2 via a flip-flop element 20 . The flip-flop element 20 is controlled by means of a timing control circuit with a signal of the frequency f _clock . It is an RS (reset / set) flip-flop with a reset input R, a set input S and an active output Q, which is connected to the gate of the switching transistor 2 . The frequency f _{clock of} the signal of the timing control circuit is tuned to the frequency of the signal of the ramp generator 9 . The frequency for switching the switching transistor 2 is determined by the output signal of the comparator 8 .

Aufgrund der Rückkopplung des pulsweitenmodulierten Gleichspannungswandlers wird das Tastverhältnis des Schalttransistors durch die Ausgangsspannung verändert, wodurch die Ausgangsspannung V_out geregelt wird. Bei einer zu hohen Ausgangsspannung V_out wird die Ausgangsspannung V_error des Fehlerverstärkers erniedrigt. Dadurch wird die Schaltzeit T_E des Schalttransistors und damit die Ausgangsspannung V_out des Gleichspannungswandlers erniedrigt.Due to the feedback of the pulse-width modulated DC-DC converter, the duty cycle of the switching transistor is changed by the output voltage, whereby the output voltage V _{out is} regulated. If the output voltage V _out is too high, the output voltage V _{error of} the error amplifier is reduced. This reduces the switching time T _{E of} the switching transistor and thus the output voltage V _{out of} the DC converter.

In Fig. 2 ist die prinzipielle Funktionsweise des kompensierten Rampengenerators 9 gezeigt. Es ist ein Kondensator 10 vorgesehen, dem die Summe aus dem Korrekturstrom I_corr und dem konstanten Referenzstrom I_ref zugeführt wird. Parallel zu dem Kondensator 10 wird ein Schaltelement 11 geschaltet, dem ein Signal zugeführt wird, welches das Schaltelement 11 mit der Frequenz des der Gate-Elektrode des Schalttransistors 2 zugeführten Signals entladbar ist.In FIG. 2, the basic functioning of the compensated ramp generator 9 is shown. A capacitor 10 is provided, to which the sum of the correction _current I _corr and the constant reference current I _{ref is} supplied. In parallel with the capacitor 10 , a switching element 11 is connected, to which a signal is supplied, which the switching element 11 can be discharged with the frequency of the signal supplied to the gate electrode of the switching transistor 2 .

In Fig. 3a ist der Verlauf des Drosselstromes I_Drossel, zu welchem der Korrekturstrom I_corr proportional ist, in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Dabei ist mit 1 der Stromverlauf für einen niedrigen Drosselstrom und mit 2 der Stromverlauf für einen hohen Drosselstrom gekennzeichnet. In Fig. 3b ist die Ausgangsspannung des Rampengenerators V_Ramp für die beiden Stromverläufe 1 und 2 aus Fig. 3a gezeigt. Der Spannungsverlauf ist parabelförmig, so daß der Nullpunkt der Ausgangsspannung des Rampengenerators V_Ramp erhalten bleibt. Es ist ferner die Ausgangsspannung V_Error des Fehlerverstärkers in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Mit dem Komparator 8 wird jeweils der Schnittpunkt von V_Error mit V_Ramp ermittelt. Durch diese Schnittpunkte wird die Taktfrequenz, mit der der Schalttransistor 2 angesteuert wird, ermittelt. Ein höherer Drosselstrom führt zu einer niedrigeren Einschaltzeit T_E. Gegenüber einem nichtkompensierten Rampengenerator, dessen Ausgangsspannung V_Ramp linear verläuft, ist die Einschaltzeit T_E des erfindungsgemäß kompensierten Rampengenerators für alle, also auch für niedrigere Drosselströme, kleiner als die Einschaltzeit T_E des nichtkompensierten Rampengenerators. Man entnimmt der Fig. 3b ebenfalls, daß die Slew-Rate (Spannungsanstiegsgeschwindigkeit) der Ausgangsspannung des kompensierten Rampengenerators 9 bei großen Drosselströmen (2) größer wird. Der Drosselstrom nimmt sowohl bei einer Vergrößerung des Ausgangsstromes als auch bei einem konstanten Ausgangsstrom und einer Verringerung der Eingangsspannung zu. Folglich wird der Betrag der Schleifenverstärkung des rückgekoppelten Gleichspannungswandlers 1 erst bei großen Drosselströmen und niedrigeren Eingangsspannungen verringert. Dadurch kann der Frequenzgang des Gesamtsystems unabhängig von der Eingangsspannung und dem Laststrom über einen sehr großen Bereich konstant gehalten werden. Es wird somit ein geringerer Betrag der Schleifenverstärkung bei hohen Eingangsspannungen und damit ein Verlust an der Genauigkeit des Gleichspannungswandlers vermieden.In Fig. 3a, the profile of the inductor current I is _choke, at which the correction current I _corr is proportional, as a function of time. The current profile for a low choke current and 1 the current profile for a high choke current are identified by 1. In Fig. 3b, the output voltage of the ramp generator V _ramp for the two current paths 1 and 2 of Fig. 3a is shown. The voltage curve is parabolic, so that the zero point of the output voltage of the ramp generator V _{Ramp is} maintained. The output voltage V _{Error of} the error amplifier as a function of time is also shown. The intersection of V _Error with V _{Ramp is} determined with the comparator 8 . The clock frequency with which the switching transistor 2 is driven is determined by these intersections. A higher choke current leads to a lower switch-on time T _E. Compared to a non-compensated ramp generator, the output voltage V _{ramp of which is} linear, the switch-on time T _{E of} the ramp generator compensated according to the invention is shorter than the switch-on time T _{E of} the non-compensated ramp generator for all, ie also for lower choke currents. It can also be seen from FIG. 3b that the slew rate (rate of voltage rise) of the output voltage of the compensated ramp generator 9 increases with large choke currents (2). The choke current increases both with an increase in the output current and with a constant output current and a decrease in the input voltage. As a result, the amount of loop gain of the feedback DC-DC converter 1 is only reduced when the inductor currents are high and the input voltages are lower. As a result, the frequency response of the overall system can be kept constant over a very large range, regardless of the input voltage and the load current. A smaller amount of loop gain at high input voltages and thus a loss in the accuracy of the DC-DC converter is thus avoided.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des kompensierten Rampengenerators 9 dargestellt. Der Korrekturstrom I_corr wird in einem ersten Knotenpunkt K1 von konstantem Potential erzeugt. Dazu ist ein erster Verstärker 12 vorgesehen, dessen Eingang eine dem Drosselstrom I_Drossel proportionale Spannung V_D zugeführt wird. Der Ausgang des ersten Verstärkers 12 wird über einen Widerstand 13 mit dem ersten Knotenpunkt K1 verbunden. Der erste Verstärker 12 ist ein rückgekoppelter Operationsverstärker und kann eine Verstärkung, die gleich 1 ist, aufweisen. Ferner sind eine erste Referenzstromquelle 14 und ein mit dieser in Reihe geschalteter erster Transistor 15 in Source-Schaltung vorgesehen, welche eine Ausgangsstufe des Verstärkers 12 bilden. Mit dem Knotenpunkt K1 ist der Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers 17 verbunden. Der eine Eingang des zweiten Operationsverstärkers 17 ist mit einer zweiten Referenzspannungsquelle V_ref1, und der andere Eingang des zweiten Operationsverstärkers 17 ist mit dem Knotenpunkt K1 verbunden. Die Ausgangsstufe des zweiten Operationsverstärkers 17 wird durch die Reihenschaltung aus dem zweiten Transistor 18 und einer zweiten Referenzstromquelle 16 gebildet. An dem Knotenpunkt K1 wird die Summe aus dem Korrekturstrom I_corr und dem konstanten Referenzstrom I_ref gebildet.In FIG. 4, an embodiment of the compensated ramp generator 9 is shown. The correction current I _corr is generated in a first node K1 of constant potential. For this purpose, a first amplifier 12 is provided, the input of which is supplied with a voltage V _D proportional to the _inductor current I _inductor . The output of the first amplifier 12 is connected to the first node K1 via a resistor 13 . The first amplifier 12 is a feedback operational amplifier and may have a gain that is equal to 1. Furthermore, a first reference current source 14 and a first transistor 15 connected in series therewith are provided in source circuit, which form an output stage of the amplifier 12 . The output of a second operational amplifier 17 is connected to the node K1. One input of the second operational amplifier 17 is connected to a second reference _voltage source V _ref1 , and the other input of the second operational amplifier 17 is connected to the node K1. The output stage of the second operational amplifier 17 is formed by the series connection of the second transistor 18 and a second reference current source 16 . At the node K1, the sum of the correction _current I _corr and the constant reference current I _{ref is} formed.

Ein dritter Transistor 19 bildet mit dem ersten Operationsverstärker 12 und dessen Ausgangsstufe, die aus der ersten Referenzstromquelle 14 und dem ersten Transistor 15 besteht, einen Stromspiegel. Die Gate-Elektrode des dritten Transistors 19 ist mit der Gate-Elektrode des ersten Transistors 15 verbunden, die Drain-Elektrode des dritten Transistors 19 mit dem Kondensator 10. Der erste Transistor 15 und der zweite Transistor 18 haben hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften ein festes Verhältnis zueinander. Ebenso werden mit der ersten und mit der zweiten Referenzstromquelle 14, 16 Ströme erzeugt, die ein festes Verhältnis zueinander haben. Der erste Transistor 15 und der zweite Transistor 18 können auch gleiche elektrische Eigenschaften haben und die erste und die zweite Referenzstromquelle 14, 16 können gleiche Ströme erzeugen. In diesem Fall wird eine besonders gute Anpassung des Gesamtsystems erreicht. Es werden Fehler aufgrund von unterschiedlichen Anpassungen vermieden. Die gesamte Anordnung kann monolithisch integriert sein. Das dem Drosselstrom I_Drossel proportionale Signal kann aus dem Spannungsabfall an dem Schalttransistor 2 bestimmt werden.A third transistor 19 forms a current mirror with the first operational amplifier 12 and its output stage, which consists of the first reference current source 14 and the first transistor 15 . The gate electrode of the third transistor 19 is connected to the gate electrode of the first transistor 15 , the drain electrode of the third transistor 19 to the capacitor 10 . The first transistor 15 and the second transistor 18 have a fixed relationship to one another with regard to their electrical properties. Likewise, the first and the second reference current sources 14 , 16 generate currents which have a fixed relationship to one another. The first transistor 15 and the second transistor 18 can also have the same electrical properties and the first and the second reference current sources 14 , 16 can generate the same currents. In this case, a particularly good adaptation of the overall system is achieved. Errors due to different adjustments are avoided. The entire arrangement can be integrated monolithically. The signal proportional to the choke current I _choke can be determined from the voltage drop across the switching transistor 2 .

In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel des kompensierten Rampengenerators gezeigt, bei dem die mit gleichen Bezugszeichen bezeichnenden Elemente denen aus der Fig. 4 entsprechen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die Gate-Elektrode des dritten Transistors 19 mit der Gate-Elektrode des zweiten Transistors 18 verbunden. Die Drain-Elektrode des dritten Transistors 19 ist über einen zweiten Stromspiegel 21 mit dem Kondensator 10 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel werden n-Kanal-MOS-Transistoren verwendet, wohingegen in dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel p-Kanal-MOS-Transistoren verwendet werden. Der zweite Stromspiegel 21 bewirkt eine Umkehrung der Potentialverhältnisse. Entsprechend sind in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 im Vergleich zu dem der Fig. 4 die Anschlüsse der Schaltungselemente an die Referenzspannung V_ref und an die Eingangsspannung V_D vertauscht, so daß die Schaltung in den beiden Ausführungsbeispielen unter Berücksichtigung des zweiten Stromspiegels 21 in der Fig. 5 den gleichen Regelsinn erhalten. FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the compensated ramp generator, in which the elements that have the same reference numerals correspond to those from FIG. 4. In contrast to the exemplary embodiment in FIG. 4, the gate electrode of the third transistor 19 is connected to the gate electrode of the second transistor 18 . The drain electrode of the third transistor 19 is connected to the capacitor 10 via a second current mirror 21 . In this embodiment, n-channel MOS transistors are used, whereas in the embodiment shown in FIG. 4, p-channel MOS transistors are used. The second current mirror 21 reverses the potential relationships. Accordingly, in the exemplary embodiment in FIG. 5, the connections of the circuit elements to the reference voltage V _ref and to the input voltage V _{D are} interchanged in comparison with that of FIG. 4, so that the circuit in the two exemplary embodiments takes into account the second current mirror 21 in the Fig. 5 get the same sense of control.

Claims

1. Pulsweitenmodulierter Gleichspannungswandler mit einer Reihenschaltung aus einem Schalttransistor (2) und einer Drosselinduktivität (3), wobei parallel zu dem Schalttransistor (3) eine Glättungskapazität (4) und ein Schaltelement (5) in Reihe geschaltet sind, so daß eine an der Reihenschaltung aus dem Schalttransistor (2) und der Drosselinduktivität (3) liegende Eingangsspannung (V_in) in eine größere, an der Glättungskapazität (4) abgreifbare Ausgangsspannung (V_out) umgewandelt wird,
mit einem Fehlerverstärker (7), dessen erster Eingang mit einem Spannungsteiler (6), dem die Ausgangsspannung zuführbar ist, und dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannungsquelle (V_ref) verbunden ist, mit einem Komparator (8), dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers (7), dessen zweiter Eingang mit einem mittels eines zu dem Drosselstrom (I_Drossel) der Drosselinduktivität proportionalen Signal kompensierten Rampengenerator (9) und dessen Ausgang mit der Gate-Elektrode des Schalttransistors (2) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der kompensierte Rampengenerator (9) so ausgebildet ist, daß das dem Drosselstrom (I_Drossel) der Drosselinduktivität (3) proportionale Signal der rampenförmigen Spannung derart überlagerbar ist, daß eine Ausgangsspannung erzeugbar ist, die einen sägezahnförmigen Kurvenverlauf mit einem konkaven Spannungsanstieg aufweist.1. Pulse-width-modulated DC-DC converter with a series circuit comprising a switching transistor ( 2 ) and a choke inductor ( 3 ), a smoothing capacitor ( 4 ) and a switching element ( 5 ) being connected in series with the switching transistor ( 3 ), so that one is connected to the series circuit the switching transistor ( 2 ) and the choke inductor ( 3 ) convert the input voltage (V _in ) into a larger output voltage (V _out ) that can be tapped at the smoothing capacitor ( 4 ),
with an error amplifier ( 7 ), the first input of which is connected to a voltage divider ( 6 ) to which the output voltage can be supplied, and the second input of which is connected to a reference voltage source (V _ref ), and a comparator ( 8 ), the first input of which is connected to the output of the error amplifier (7), whose second input is connected to a means of a proportional to the inductor current (I _throttle) of the choke inductor compensated signal ramp generator (9) and whose output is connected to the gate electrode of the switching transistor (2),
characterized in that the compensated ramp generator ( 9 ) is designed such that the signal of the ramp-shaped voltage proportional to the choke current (I _choke ) of the choke inductance ( 3 ) can be superimposed in such a way that an output voltage can be generated which has a sawtooth-shaped curve shape with a concave voltage rise having.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rampengenerator (9) so ausgebildet ist, daß die Summe aus einem Korrekturstrom (I_corr), welcher proportional zu dem Drosselstrom (I_Drossel) ist, und einem konstanten Referenzstrom (I_ref) in dem Rampengenerator (9) integrierbar ist, so daß die Ausgangsspannung (V_Ramp) des Rampengenerators (9) einen quadratischen Spannungsanstieg aufweist.2. DC-DC converter according to claim 1, characterized in that the ramp generator ( 9 ) is designed such that the sum of a correction current (I _corr ), which is proportional to the inductor current (I _inductor ), and a constant reference current (I _ref ) can be integrated in the ramp generator ( 9 ) so that the output voltage (V _ramp ) of the ramp generator ( 9 ) exhibits a quadratic voltage rise.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration der Summe aus dem Korrekturstrom (I_corr) und dem konstanten Referenzstrom (I_ref) dadurch erfolgt, daß der Korrekturstrom (I_corr) und der konstante Referenzstrom (I_ref) einem Kondensator (10) zuführbar sind, welcher über ein parallelgeschaltetes Schaltelement (11) mit der Frequenz des der Gateelektrode des Schalttransistors (2) zugeführten Signals entladbar ist.3. DC-DC converter according to claim 2, characterized in that the integration of the sum of the correction current (I _corr ) and the constant reference current (I _ref ) takes place in that the correction current (I _corr ) and the constant reference current (I _ref ) a capacitor ( 10 ) can be fed, which can be discharged via a switching element ( 11 ) connected in parallel at the frequency of the signal supplied to the gate electrode of the switching transistor ( 2 ).

4. Gleichspannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Korrekturstromes (I_corr) ein erster Verstärker (12) vorgesehen ist, dessen Eingang eine dem Drosselstrom (I_Drossel) proportionale Spannung (V_D) zuführbar ist, und dessen Ausgang über einen Widerstand (13) mit einem ersten Knotenpunkt (K1) von konstantem Potential verbunden ist, welchem der Korrekturstrom (I_corr) zuführbar ist.4. DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized in that a first amplifier ( 12 ) is provided for generating the correction current (I _corr ), the input of which is proportional to the inductor current (I _inductor ) voltage (V _D ), and the latter Output is connected via a resistor ( 13 ) to a first node (K1) of constant potential, to which the correction current (I _corr ) can be supplied.

5. Gleichspannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker (12) ein Buffer, dessen Verstärkung gleich eins ist, verwendet wird.5. DC-DC converter according to claim 4, characterized in that a buffer, the gain of which is equal to one, is used as amplifier ( 12 ).

6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker (12) ein rückgekoppelter Operationsverstärker vorgesehen ist.6. DC-DC converter according to claim 4 or 5, characterized in that a feedback operational amplifier is provided as amplifier ( 12 ).

7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangsstufe des Operationsverstärkers eine erste Referenzstromquelle (14), die mit einem ersten Transitor (15) in Source-Schaltung in Reihe geschaltet ist, umfaßt.7. DC-DC converter according to claim 6, characterized in that an output stage of the operational amplifier comprises a first reference current source ( 14 ) which is connected in series with a first transistor ( 15 ) in source circuit.

8. Gleichspannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das konstante Knotenpotential in dem Knotenpunkt K1 durch einen zweiten Operationsverstärker (17) und eine Referenzspannungsquelle V_ref1 erzeugt wird.8. DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized in that the constant node potential in the node K1 is generated by a second operational amplifier ( 17 ) and a reference _voltage source V _ref1 .

9. Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Operationsverstärker (17) eine Ausgangsstufe mit einer Reihenschaltung aus einer Stromquelle (16) und einem zweiten Transistor 18 in Source-Schaltung umfaßt.9. DC-DC converter according to claim 8, characterized in that the second operational amplifier ( 17 ) comprises an output stage with a series circuit comprising a current source ( 16 ) and a second transistor 18 in source circuit.

10. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (19) vorgesehen ist, dessen Gate-Elektrode mit der Gate-Elektrode des ersten Transistors (15) verbunden ist, wobei der erste Transistor (15) und der dritte Transistor (19) zusammen mit dem ersten Verstärker (12) einen Stromspiegel bilden, dessen Ausgang an den Kondensator (10) angeschlossen ist.10. DC-DC converter according to one of claims 4 to 9, characterized in that a third transistor ( 19 ) is provided, the gate electrode of which is connected to the gate electrode of the first transistor ( 15 ), the first transistor ( 15 ) and the third transistor ( 19 ) together with the first amplifier ( 12 ) form a current mirror, the output of which is connected to the capacitor ( 10 ).

11. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode des dritten Transistors (19) mit der Gate-Elektrode des zweiten Transistors (18) verbunden ist, der zweite Transistor (18) und der dritte Transistor (19) zusammen mit dem zweiten Operationsverstärker (17) einen Stromspiegel bilden, dessen Ausgang über einen zweiten Stromspiegel (21) an den Kondensator (10) angeschlossen ist11. DC-DC converter according to one of claims 4 to 9, characterized in that the gate electrode of the third transistor ( 19 ) is connected to the gate electrode of the second transistor ( 18 ), the second transistor ( 18 ) and the third transistor ( 19 ) together with the second operational amplifier ( 17 ) form a current mirror, the output of which is connected to the capacitor ( 10 ) via a second current mirror ( 21 )

12. Gleichspannungswandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (15) und der zweite Transistor (18) ein festes Verhältnis hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften zueinander haben.12. DC-DC converter according to claim 10 or 11, characterized in that the first transistor ( 15 ) and the second transistor ( 18 ) have a fixed relationship in terms of their electrical properties to each other.

13. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit der ersten und der zweiten Referenzstromquelle (16, 14) Ströme, die ein festes Verhältnis zueinander haben, erzeugbar sind.13. DC-DC converter according to one of claims 10 to 12, characterized in that with the first and the second reference current source ( 16 , 14 ) currents which have a fixed relationship to one another can be generated.

14. Gleichspannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Drosselstrom (I_Drossel) proportionale Signal V_D aus dem Spannungsabfall an dem Schalttransistor (2) bestimmt wird.14. DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized in that the signal V _D proportional to the inductor current (I _inductor ) is determined from the voltage drop at the switching transistor ( 2 ).

15. Gleichspannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung monolithisch integriert ist.15. DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the arrangement is integrated monolithically.